船舶被动式超低能耗上层建筑的设计构思

2022-10-18田正军吉春正赵自兵

舰船科学技术 2022年18期

徐谦，田正军，吉春正，赵自兵

(招商局邮轮研究院(上海)有限公司，上海 200041)

0 引言

为了应对气候变化，需要提高建筑能效水平，被动式超低能耗建筑在节能方面具有很大优势，在国内外有很多相关研究。船舶的上层建筑和陆地建筑有很大的相似性，在“双碳”的减排大背景下，把陆地建筑“被动式超低能耗”的概念引入到船舶上，并结合船舶的自身特点，构建被动式超低能耗上层建筑，研究其节能设计的方法，具有较高的经济价值和实际意义。对于船厂而言，采用被动式超低能耗上层建筑可以减小空调负荷，从而降低空调系统的规模，降低船舶的建造成本和难度；对于船东而言，可以减少船舶上层建筑的电力消耗，降低运营成本。

1 被动式超低能耗上层建筑

被动式超低能耗是指适应自然条件，通过高隔热性能和气密性的围护结构，采用高效新风热回收技术，最大限度地降低供热供冷需求，以最少的能源消耗提供舒适的室内环境。结合船舶特点，被动式超低能耗上层建筑具有3层含义。

第1层：采用被动式节能技术，通过优化设计，实现在非机械模式下，达到降低电能消耗和提高室内环境性能的目的，包括围护结构的隔热、遮阳等。

第2层：为了提高室内舒适度和空气质量而采用主动式节能技术，核心是提高用能系统效率，包括变风量、新风热回收、变水量等。

第3层：充分利用船舶上的废能，从而减少电能的消耗，包括利用主机废热、LNG废冷等。

2 被动式节能

被动式超低能耗上层建筑采用的被动式节能是通过减少上层建筑玻璃、舱壁等围护结构上的热传递，降低室内的冷热负荷，从而减少上层建筑用于冷却和加热的能源消耗。

2.1 围护结构冷热负荷

由于船舶内外存在温度差，外部舱壁和玻璃上存在热量的传递，夏季热量从室外进入室内，成为冷负荷，冬季热量从室内扩散到室外，成为热负荷，计算式为：

式中：为围护结构传热量，W；Δ为船内外温差，℃；为舱壁传热系数，W/(m·K)；为舱壁面积，m；为玻璃传热系数，W/(m·K)；为玻璃面积，m。

由于船舶外部舱壁上都布置保温绝缘，舱壁的传热系数比较小，而玻璃的传热系数一般要远大于舱壁上的绝缘。当太阳照射到玻璃上，一部分太阳辐射能会透过玻璃进入到船内；当太阳照射到舱壁上，部分太阳能被舱壁吸收而导致舱壁温度升高，影响舱壁上的热量传递，当上层建筑舱壁外表面油漆是浅色的，温差可取12 ℃。太阳辐射热量的计算式为：

式中：为辐射热量，W；Δ为舱壁在太阳照射下的额外温差，℃；为玻璃太阳辐射强度， W/m。

2.2 被动式节能技术

2.2.1 玻璃

玻璃在船上被广泛的运用，其作用主要有减少室外大气环境变化对室内环境的影响和满足室内的采光。玻璃会大幅度导致上层建筑内能耗增大，夏季有热传导和热辐射，冬季有热传导，但是玻璃也可以减少冬季室内的加热量，通过太阳光透射入室获得太阳热能。中空low-E玻璃具有显著的节能效果，low-E玻璃利用真空沉积技术，在玻璃表面沉积一层低辐射涂层，大大减少玻璃的太阳能总透射比，而中空玻璃由2层或多层平板玻璃构成，中间充入干燥气体，由于气体的热传导率远小于玻璃而使整体传热系数大大降低。

2.2.2 遮阳

遮阳主要是为了在夏季减少太阳辐射通过玻璃进入室内带来的冷负荷，包括内遮阳和外遮阳。内遮阳主要是运用窗帘，其值取决于窗帘的材料和颜色，白色的布窗帘取值为0.5，而白色不透明卷轴遮阳帘只有0.25。外遮阳是通过按照水平或垂直遮阳板来减少被太阳照射的玻璃面积，比如邮轮客房的阳台。外遮阳的节能效果与遮阳板的凸出长度、太阳的照射角度有关，由于外遮阳对船舶外观的影响较大，实际运用不多。受内遮阳、外遮阳和自身玻璃特性的共同影响，玻璃太阳辐射强度的计算公式为：

式中：为平均玻璃太阳辐射强度， W/m；为玻璃太阳直射辐射强度， W/m；为玻璃太阳散射辐射强度， W/m；为太阳直射玻璃的面积比；为玻璃窗内遮阳系数；为太阳能总透射比。

2.2.3 绝缘

船舶的外部舱壁上均布置保温绝缘，提高舱壁的热阻而减少室内外的热传递，绝缘的传热系数取决于绝缘的自身特性和厚度，公式如下：

式中：为绝缘导热系数，W/(m·K)；为绝缘厚度，m。

绝缘的包覆需要完整，尽可能减少热桥，在球扁钢上也需布置绝缘，在外部舱壁向内部舱壁过渡的地方，绝缘需要有450 mm的延伸，如图1所示。

图1 舱壁保温绝缘包覆示意图Fig. 1 diagram of insulation on bulkhead

2.3 实船被动式节能的计算分析

为了客观地看到实船上被动式超低能耗设计的优势，选用某客滚船上层建筑的餐厅进行计算，此餐厅的形态特征见表1，分为左、中、右3个区，每个区有100个座位。

表1 餐厅的形态特征Tab. 1 characteristics of restaurant

此餐厅在被动式超低能耗设计下采用的被动式节能技术包括：采用中空Low-E玻璃，太阳能总透射比取值0.4；布置白色的布窗帘对玻璃进行内遮阳，玻璃窗内遮阳系数取0.7，不进行外遮阳为0，按照式（3）计算得平均玻璃太阳辐射强度值是98 W/m；采用低传热系数的保温绝缘。餐厅的热工特征在被动式超低能耗设计下和在普通设计下的对比见表2，普通设计采用ISO7547的推荐值。根据式（1）和式（2）计算得到夏季的冷负荷和冬季的热负荷见表3，夏季的冷负荷在被动式超低能耗设计下是10.2 kW，比普通设计下的32.4 kW降低了68.5%，冬季的热负荷在被动式超低能耗下是3.3 kW，比普通设计下的8.4 kW降低了60.7%。

表2 餐厅的热工特征对比表Tab. 2 Comparison of thermal characteristics of restaurant

表3 夏季/冬季的围护结构冷/热负荷对比表Tab. 3 Comparison of cool / heat load of enclosure structure in summer / winter

3 主动式节能

被动式超低能耗上层建筑采用的主动式节能是采用高能效的机械设备来保证室内舒适度和空气质量，风机、空调水泵等可以按照实际需求来调节，最大限度地降低空调负荷和电能消耗。

3.1 空调负荷

上层建筑的室内环境气密性较高，为了保证空气质量，需要通过中央空调器内的风机把外界的新鲜空气送入室内，按照ISO7547的要求，每个人的最小新风量为28.8 m/h，根据计算室内CO的式（5），在此最小风量下室内的CO浓度是952 ppm，略小于通常1 000 ppm的要求，所以在被动式超低能耗设计下，最小新风量需要保证，而且可以通过监控CO的浓度来调节新风量的供应。

式中：为房间内CO浓度，ppm；为室外空气CO浓度，ppm，一般取400 ppm；为人呼出的空气CO浓度，ppm，一般取53 000 ppm；为人呼吸的空气，m/h，人安静时取0.3 m/h；为房间内的通风量，m/h。

中央空调器把空气加热或冷却后送入房间，通过送风的温度变化带走房间内的冷热负荷，如下式：

式中：为房间内冷热负荷，k W；为房间温度，℃；为空调送风温度，℃；为空气密度，一般取1.2 k g/m；为空气的比热，一般取1.0 1 kJ/(kg·K)。

外界新风在中央空调器内处理，被空调水冷却或加热，此过程中产生空调负荷，当采用全新风空调系统时，可以运用热转轮来回收房间回风中的部分能量，空调负荷如下式：

式中：为中央空调负荷，kW；为外界空气的比焓，kJ/kg；为房间回风的比焓，kJ/kg；为制冷盘管后空气的比焓，kJ/kg；为回风的热回收效率。

在全空气的空调通风系统中，从中央空调器送入房间的风需要满足室内所有的冷热负荷，而在空气-水系统中，从中央空调器送入房间的风主要是为了满足旅客的呼吸要求，带走一部分冷热负荷，而让风机盘管通过循环处理室内空气来带走主要的冷热负荷。空气-水系统把室内空气的舒适度和空气品质分开来控制，能够灵活的控制新风量，从而降低空调负荷，但是在中间季节，全空气系统可以运用室外的空气直接冷却室内，有很好的节能效果。

3.2 主动式节能技术

3.2.1 新风热回收

外部新风是维持被动式超低能耗上层建筑内空气质量的保证，当新风进入室内，带来了大量的空调负荷，可以采用高效的空气-空气能量回收装置，通过回收排风中的能量来降低供暖制冷需求，实现节能目标。热转轮是比较高效的能量回收技术（见图2），新风和排风可以在不混合的情况下进行全热的能量交换。热转轮是以复合纤维材料为载体，覆以蓄热吸湿材料而构成，在全新风的情况下可以对能量进行全热回收，热转轮的回收效率一般在40%～60%。

3.2.2 变风量

图2 热转轮的示意图Fig. 2 diagram of recovery wheel

空调通风是按照此区域内最大的人数和最恶劣的外部环境来设计的，而在船舶实际运行中，这个设计工况很少出现，以至于空调系统经常是高于实际需求的状态下运行，导致能量的浪费。变风量设计可以通过根据实际人数的风量需求来改变进入室内的新风，除了通过减少新风降低空调负荷来进行节能外，也直接通过风机马达的变频来减少风机的电能消耗。为了保证室内的空气质量且送风量根据实际人员的数量来调节，可以通过室内的CO浓度来调节送风量，另一种变风量是根据室内温度来调节风量，比如在夏季，室内温度低于设定值，则会减少送风量，主要用于全空气系统和风机盘管。

风机的轴功率取决于风机压力和风量，如下式：

式中：为风机轴功率，kW；为风量，m/h；为风机压力，Pa；为风机效率。

被动式超低能耗设计主张变风量应该采用变静压法或总风量法来最大程度减少风机功率，而不是定静压法。风机压力取决于风道内的通风阻力，与风量的平方等比例相关，所以通风系统内阻力特性不变的情况下，当风量减小到原来的1/2时，风机压力会减小到原来的1/4，风机功率会减小到原来的1/8。但是要考虑变风量风闸的节流作用导致风机压力的额外升高，实际节能效果没有那么多。而变静压法控制使得风闸开度尽可能的大，可以尽可能地降低风机压力来降低电能消耗。

3.2.3 变水量

变水量系统使得冷媒水流量随负荷变化而变化，空调水泵通过变频改变转速，改变泵的特性曲线，从而降低水泵的能耗。变水量空调水系统如图3所示，变流量阀是两通压力无关的电动阀，阀的开度根据空调负荷进行变化；变流量阀的开度变化会影响水管的压力，压差传感器可以获得压差信号，空调水泵通过变频器调节泵的转速来保持给水管和回水管的压差是稳定的。由于空调水用户较多，为了维持系统的稳定，一般采用定压差的方法，泵的轴功率与水流量成正比。变水量空调水系统可以消除定水量系统供回水温差小的“低温综合症”，提高空调水系统的效率，减少水泵的能耗。

图3 变水量空调水系统Fig. 3 Variable volume A/C water system

式中：为泵轴功率，kW；为水量，m/h；为泵压力，Pa；为泵效率。

3.3 实船主动式节能的计算分析

此客滚船餐厅的空调通风系统进行了超低能耗的设计，如图4所示。中央空调器带有热转轮，具备100%新风能力，把室外的空气进行净化、冷却或加热后，根据每区100人的人数对餐厅的3个区分别送风2 880 m/h，送风机和排风机都可通过变频器调节转数；在送风管和回风管上分别布置压力无关型变风量风闸，根据CO传感器来控制送风量，变风量风闸可以检测风量并把需求风量传递给风机的控制器；外区布置风机盘管，根据回风温度来变速运行；空调水泵采用定压差的变水量控制；内区布置再加热器来调节室内温度。

图4 超低能耗空调通风系统Fig. 4 Ultra-low power HVAC system

夏季，室外空气的比焓是 86.3 kJ/kg，通过中央空调冷却到室内空气露点温度以下，取13°C，比焓是36.6 kJ/kg，室内空气的比焓是52.6 kJ/kg。冬季，室外空气的比焓是-19 kJ/kg，通过中央空调加热加湿到温度15°C，湿度40%，比焓是 25.7 kJ/kg，室内空气的比焓是38.8 kJ/kg。外区的风机盘管用于带走围护结构的冷热负荷。

表4 主动式节能的能耗对比表Tab. 4 Comparison of active energy saving

中央空调器采用变静压的变风量系统，运行时取平均风量是设计风量的70%，取平均风机压力为设计值的70%；采用高效热转轮，效率60%，相对于普通设计是40%；风机盘管根据室内温度进行变速，运行时平均送风量是设计风量的70%，由于没有变风量风闸，风机压力为设计值的49%；空调水泵采用定压差的变水量控制，取平均水量是50%。风机和泵的效率均取0.7，根据式（6）～式（8）计算得到被动式超低能耗设计和普通设计下的能耗对比，如表4所示。

夏季的空调负荷在被动式超低能耗下是96.2 kW，比普通情况下的137 kW降低了30%；冬季的空调负荷在被动式超低能耗下是32.6 kW，比普通情况下的71.2 kW降低了54%；虽然设计电功率的区别不大，但是在使用过程中，在变风量和变水量的作用下，被动式超低能耗下是9.4 kW,比普通情况下的20.9 kW降低了55%。

4 主机废热的利用

主机废热是船舶上非常丰富的能源，通过利用主机废热来减少上层建筑空调系统的电能消耗是被动式超低能耗设计的关键。

4.1 吸收式冷水机

溴化锂吸收式冷水机是以热能为动力，溴化锂溶液为工质对，冷却冷媒水，几乎不需要消耗电能，可以利用低品位热源，运行时震动噪声小。溴化锂吸收式冷水机分为蒸汽型和热水型，越高的蒸汽压力和热水温度，吸收式冷水机的效率就越高，效率用能效比(coefficient of performance，COP)来表示，蒸汽型冷水机的COP要高于热水型。

式中：为冷水机能效比（COP）；为冷水机制冷量，kW；为消耗的热能，kW。

溴化锂吸收式冷水机由发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器、换热器和循环泵等部分组成，原理图如图5所示。

4.2 废热利用

船舶上主机会产生大量的废热，包括来自废气锅炉的蒸汽和来自缸套的高温水。在冬季，主机产生的废热可以通过空调水系统加热上层建筑，废热水加热器可以从高温缸套水中获得热能，蒸汽加热器可以从蒸汽系统获得热能。在夏季，吸收式冷水机组通过空调水系统来冷却上层建筑，当没有废热的时候，依旧使用传统冷水机组，利用主机废热的空调水系统如图6所示。考虑到在港口的时候主机不运行而无废热可利用，但是海上航行时废热过多，可以通过蓄热水柜来储存主机废热，或通过蓄冷柜来存储吸收式冷水机利用废热产生的冷量，这样可以进一步降低上层建筑的电能消耗。

4.3 实船主机废能利用的计算分析

图5 溴化锂冷水机组的原理图Fig. 5 Diagram of LiBr chiller

图6 废热利用的空调水系统Fig. 6 A/C water system with waste heat utilization

本客滚船在海上航行的时候，2台主机保持85%工况运行，可产生约3 000 kW热量的缸套水，废气锅炉可产生约3 000 kW热量的蒸汽，以COP为1的蒸汽溴化锂冷水机为例，可产生3 000 kW的冷量，而上层建筑的最大夏季空调制冷负荷为1 800 kW, 所以仅用蒸汽的废热产生的冷量就能完全满足空调制冷负荷。

在被动式超低能耗设计下运用蒸汽溴化锂冷水机通过蒸汽的热能来冷却冷媒水，吸收式冷水机几乎不消耗电能。但是由于蒸汽的热能也需要冷却水带走而会导致冷却水泵的水量加大，冷却水泵消耗的电功率增加，此餐厅需要28 m/h的冷却水，冷却水泵在2.5 bar的压力下运行，消耗2.3 kW的电能。冷却水泵采用变水量系统，根据冷水机的负荷和海水温度变化来调节泵的频率，取冷却水泵平均使用水量是设计水量70%，由于管路上无调节阀增加额外阻力，泵的压力会降低是设计值的49%。而普通设计下运用传统的螺杆冷水机，其COP是4。两者的对比见表5，吸收式冷水机仅消耗0.9 kW的电能，远小于普通情况的35.8 kW.

表5 废热利用的能耗对比Tab. 5 Comparison of energy with waste heat utilization

5 结语

船舶上层建筑采用被动式超低能耗设计，通过被动式节能技术、主动式节能技术和主机废能利用可以大幅度降低能耗。对一客滚船餐厅进行计算分析后发现，运用被动式超低能耗设计后，围护结构的冷负荷降低68.5%，热负荷降低60.7%，设计空调负荷在夏季降低30%，在冬季降低54%，空调通风系统在运行过程中，主要设备的电能消耗都可以大幅度降低，总电能消耗降低了82%，单位面积能耗可以达到27.1 W/m，如表6所示。